Modelado de la transferencia de masa a diferentes escalas en la producción de soforolípidos a nivel laboratorio Pubblico Deposited
The growing demand of the biotechnology industry to generate sustainable, environmentally friendly and ecological products has led to the development of alternatives to the use of chemical products, an example of these alternatives are biosurfactants; such is the case of sophorolipids. They have become attractive microbial products due to their advantages over synthetic surfactants in terms of environmental sustainability, biodegradability, global public health and the use of agro-waste for their production. Moreover, they are mostly produced by non-pathogenic yeast Starmerella bombicola. Therefore, the interest to understand the processes that occur during the production of this biosurfactant and to have predictive models that simulate the transport phenomena in these systems. For this reason, in this work mathematical models are develop in order to describe the diffusion transport of sophorolipids and O2 from the cellular scale. In this paper, some modifications are made to the volumetric averaging method, which is a classical technique that derives effective medium equations from transport equations at the microscopic scale. From this modified method, two average mathematical models are derived that describe the accumulation, diffusion and reaction for this scale. In addition, compared to other works, the transport of sophorolipids and O2 is also studied considering the cell as a non-continuous system. In other words, the organelles inside the cell in which the species may react were taken into account as well as the effect they may have on diffusion at the cellular level. This results in models that describe transport phenomena in a more accurate way. Using these models, the effective diffusivity coefficients are calculated for each chemical species under study. Furthermore, parametric analyses are carried out to identify which parameters have a major effect on the diffusion coefficients. Thus, they can be considered as a starting point for the mathematical modeling of larger scales such as those described in this work.
El creciente interés de la industria biotecnológica por generar productos sustentables, amigables con el ambiente y ecológicos, ha traído la búsqueda de alternativas al uso de productos químicos, un ejemplo de estas alternativas son los biosurfactantes; tal es el caso de los soforolípidos. Estos se han convertido en atractivos productos microbianos producidos por hongos, bacterias y levaduras, gracias a sus ventajas sobre los tensioactivos sintéticos en términos de sostenibilidad medioambiental, biodegradabilidad, salud pública mundial y el uso de residuos agroindustriales para su producción. En el caso de los soforolípidos, se producen en gran parte por la levadura no patógena Starmerella bombicola. Este interés ha llevado a la necesidad de comprender los fenómenos de transporte que suceden durante la producción de este biosurfactante y contar con modelos confiables que los simulen en estos sistemas. Es por ello que en este trabajo se desarrollaron modelos matemáticos que describen desde la escala celular cómo es el transporte por difusión de los soforolípidos y del O2. Se tiene interés en estudiar a los soforolípidos por las características que se han mencionado anteriormente. En el caso del O2, en las secciones siguientes se menciona su importancia en los bioprocesos aerobios. En este trabajo, se realizan algunas modificaciones al método de promedio volumétrico el cuál es una técnica clásica de promediado que parte de ecuaciones de transporte a escala microscópica para deducir ecuaciones a escala macroscópica o de medio efectivo. A partir de este método modificado, se deducen dos modelos matemáticos promedio que describen la acumulación, difusión y reacción para dicha escala. Además, a diferencia de otros trabajos, se estudia el transporte de soforolípidos y O2 considerando a la célula como un sistema no continuo. Es decir, se toman en cuenta los organelos que hay dentro de ella y en los cuales puede haber reacción de las especies y se estudió el efecto que pueden tener en la difusión a nivel celular. Esto trae como resultado modelos que se apegan más a la realidad. Teniendo estos modelos se calculan los coeficientes de difusividad efectiva para cada especie química estudiada. Aunado a ello, se llevan a cabo análisis paramétricos para definir qué parámetros son los que tienen mayor efecto en los coeficientes de difusión. Estos modelos son validados reproduciendo con un error < 1% los resultados de las simulaciones numéricas a escala microscópica. Por este motivo es que se puede considerar como punto de partida para el modelado matemático de las escalas superiores como las descritas en este trabajo.
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